一种无辅助信号注入的永磁同步电机转子位置权重观测器

摘要

本发明提出了一种无辅助信号注入的永磁同步电机转子位置权重观测器，本发明在现有永磁同步电机矢量控制器的基础上，增加了直轴观测器、交轴观测器和权重更新选择器。在权重观测器中，直轴观测器和交轴观测器同时对转子位置进行估计，权重更新算法通过不断检测直轴电流和交轴电流的大小判断永磁同步电机运行在轻载还是重载条件下，并实时地调整权重系数，对两个观测器的输出转子估计位置进行加权处理，得到最终的转子估计位置，用于永磁电机无传感器控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无传感器控制的永磁同步电机转子位置观测器，具体涉及一种无辅助信号注入的永磁同步电机转子位置权重观测器，属于电机控制领域。

背景技术

近几年来，晶闸管、IGBT等功率开关器件制造技术的取得很大突破，容量和频率得到提升。同时，针对交流电机调速策略的研究不断完善，交流调速系统逐步成为电力驱动领域的主流。永磁同步机具有高功率密度，高力矩惯量比，高功率因数以及调速性能好的优点，已经广泛应用于电梯，电动汽车，空调压缩机以及其它工业和家电领域。

目前矢量控制是永磁电机最常用的控制技术，但是需要电机转子位置信息进行解耦，而安装位置传感器不仅增加了成本，还降低了系统的可靠性，因此无传感器控制技术成为研究的热点。

在零低速领域，永磁同步电机最常用的无传感器控制技术为高频信号注入法，但是高频注入法额外增加了响应电流分量，并且具有较高的交变频率，会同时增大电机铁损和铜损。不仅如此，电机内部的高频电流还会带来电磁兼容和噪声的问题，这样的高频分量会对周围电磁设备产生干扰，严重时将会使得电磁设备出现故障，造成安全隐患。受到逆变器开关损耗的限制，注入信号频率一般在10kHz以内，位于人耳听觉范围内，将会产生尖锐刺耳的噪声，严重限制了其在某些工业场合以及家用变频电器领域的应用。因此，研究低噪音甚至无噪音的零低速永磁同步电机无传感器控制具有重要意义。当没有辅助信号注入时，永磁同步电机运行则不会产生噪音，因此，一种基于无辅助信号注入的永磁同步电机无传感器控制技术具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了消除现有基于高频信号注入法的永磁同步电机无传感器控制中存在的高频噪音，本发明提出了一种无辅助信号注入的永磁同步电机转子位置权重观测器。

本发明的一种无辅助信号注入的永磁同步电机转子位置权重观测器，所述观测器包括直轴观测器1、交轴观测器2和一个权重更新选择器3；

所述直轴观测器1，由于其观测器内部包含锁相环结构，因此其转子位置估计受电机参数影响小，但是其转子位置误差的系数中含有q轴电流分量，所以其适用于永磁同步电机运行在重载情况下的转子位置估计；永磁同步电机矢量控制器输出的α轴和β轴电流分别输入至直轴观测器1，用于估计转子位置；

所述交轴观测器2，在估计转子位置过程中，对电机参数以及q轴电流依赖大，因此其适用于永磁同步电机运行在空载或轻载情况下的转子位置估计；永磁同步电机矢量控制器输出的α轴和β轴电流分别输入至交轴观测器2，用于估计转子位置；

所述直轴观测器1和所述交轴观测器2将各自估计出的转子位置均输入到权重更新选择器3。同时，将d轴电流和q轴电流也输入到权重更新选择器3；

所述权重更新选择器3，根据输入的d轴电流和q轴电流的大小判断永磁同步电机运行在轻载还是重载条件下，并实时地调整权重系数，对直轴观测器1和交轴观测器2输入的转子估计位置进行加权处理，得到最终的转子估计位置和估计转速，用于无传感器控制。

进一步地，所述直轴观测器1包括一个直轴电流补偿单元、第一单周期滞后单元、第二单周期滞后单元、第一减法器、第二减法器、第一乘法器、第二乘法器、第一加法器、一个比例积分单元、第一积分单元、一个正弦函数计算单元、一个余弦函数计算单元和第一低通滤波器；

当采用“d轴定子电流给定值”的矢量控制方式时，所述直轴电流补偿单元可以省略；

永磁电机输出的α轴和β轴电流分别输入至第一单周期滞后单元和第二单周期滞后单元，第一单周期滞后单元的输出输入至第一减法器，第二单周期滞后单元的输出输入至第二减法器；

所述第一减法器将α轴电流和第一单周期滞后单元的输出做差，得到α轴电流微分，输入至第一乘法器；

所述第二减法器将β轴电流和第二单周期滞后单元的输出做差，得到β轴电流微分，输入至第二乘法器；

所述第一乘法器将α轴电流微分与余弦函数计算单元相乘，输入至第一加法器；

所述第二乘法器将β轴电流微分与正弦函数计算单元相乘，输入至第一加法器；

所述第一加法器将直轴电流补偿单元的输出与第一、第二乘法器的输出相加，得到转子位置误差信号，并将误差信号输入至比例积分单元；

所述比例积分单元输出转子估计转速，并将该估计转速输入至第一积分单元；

所述第一积分单元的输出输入至第一低通滤波器进行滤波；

所述第一低通滤波器的输出即为转子估计位置并将该估计位置同时输入至正弦函数计算单元和余弦函数计算单元。

进一步地，所述交轴观测器2包括一个坐标变换单元、一个R/L_q计算单元、第三减法器、第三单周期滞后单元、第二加法器、一个-L_q/ψ_f计算单元、第二积分单元、第二低通滤波器和第三低通滤波器；其中R为定子电阻，L_q为定子q轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链；

所述坐标变换单元的输入为永磁电机输出的α轴和β轴电流以及估计的转子位置将α轴和β轴电流转换为d轴和q轴电流，并将q轴电流输出至R/L_q计算单元、第三减法器和第三周期滞后单元；

所述R/L_q计算单元对输入的q轴电流进行运算后，将输出输入至第二加法器；

所述第三单周期滞后单元将输入的q轴电流滞后一个周期输出至第三减法器；

所述第三减法器将输入的q轴电流与第三单周期滞后单元的输出做差处理，得到q轴电流微分值，并将所述q轴电流微分值输出至第二加法器；

所述第二加法器将R/L_q计算单元的输出与q轴电流微分值做和，并将结果输出至-L_q/ψ_f计算单元；

所述-L_q/ψ_f计算单元将第二加法器输出值进行运算，将结果输出至第二低通滤波器和第二积分单元；

所述第二低通滤波器将-L_q/ψ_f计算单元的输出进行低通滤波，得到转子估计转速

所述第二积分单元的输出输入至第三低通滤波器进行低通滤波；

所述第三低通滤波器的输出即为转子估计位置并将该估计位置同时输入至坐标变换单元。

进一步地，所述权重更新选择器3包括第一加权处理器、第二加权处理器和一个权重更新算法单元。

所述权重更新算法单元根据输入的d轴电流和q轴电流的大小判断永磁同步电机运行在轻载还是重载条件下，并实时地调整权重系数w₁和w₂，将两个权重系数输入至对应的加权处理器；

所述第一加权处理器将交轴观测器2输出的转子估计位置进行加权处理，所述第二加权处理器将直轴观测器1输出的转子估计位置进行加权处理，并将两个加权处理后的结果输出叠加，得到最终转子估计位置

本发明的有益效果在于，在权重观测器中，直轴观测器1和交轴观测器2同时对转子位置进行估计，权重更新算法通过不断检测直轴电流和交轴电流的大小判断永磁同步电机运行在轻载还是重载条件下，并实时地调整权重系数，对两个观测器的输出转子估计位置进行加权处理，得到最终的转子估计位置，用于永磁电机无传感器控制；

本发明将直轴观测器1和交轴观测器2有机结合，使两种观测器均能在其适合的工作条件下运行，提升了转子位置估计的准确性，扩大了基于无辅助信号注入的永磁同步电机无传感器控制应用领域。

本发明的无辅助信号注入的永磁同步电机无传感器控制方法，可以有效的消除高频注入法所带来的噪音，权重观测器更能保证电机在任何工作条件下都能获得较为精确的转子估计位置，无需任何辅助信号的注入，也不需要额外的硬件设备，提高了永磁同步电机无传感器控制性能。

附图说明

图1是无辅助信号注入的永磁同步电机转子位置观测器的原理结构示意图；

图2是直轴观测器的原理结构示意图；

图3是交轴观测器的原理结构示意图；

图4是权重更新选择器的原理结构示意图，其中是交轴观测器2输出的转子估计位置，是直轴观测器1输出的转子估计位置，是转子最终估计位置，i_d和i_q分别为直轴和交轴定子电流反馈值，w₁和w₂交轴和直轴权重系数；

图5是权重更新算法的原理示意图；

图6是两相静止轴系、两相同步旋转轴系的关系示意图；其中d-q表示两相同步旋转坐标系，α-β表示两相静止坐标系，γ-δ表示估计的两相旋转坐标系，ω为转子转速，为最终转子估计位置，θ_e为真实转子位置，为转子位置估计误差；

图7是基于权重观测器的永磁电机无传感器控制实验波形，从上至下依次为，负载转矩，转子估计位置和转子位置误差波形。

具体实施方式

下面将结合本发明具体实施方式的附图，对本发明的技术方案进行详细、清楚地描述。显然地，所描述的具体实施方式仅仅是本发明的一部分，基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的具体实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

下面将结合附图和对本发明的具体实施方式作进一步说明，但不作为本发明的限定。结合图1-图7说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种无辅助信号注入的永磁同步电机转子位置权重观测器，本实施方式在现有永磁同步电机矢量控制器的基础上，增加了直轴观测器1、交轴观测器2和权重更新选择器3；

如图1所示，永磁同步电机矢量控制器包括PI比例积分控制器、减法器、坐标变换单元(克拉克变换、帕克变换、反帕克变换)、SVPWM(空间矢量脉宽调制)、ADC采样转换单元；

表示电机转速给定值；

表示估计的电机转速值；

表示两相同步旋转轴系下的定子电流给定值；

i_d,q表示两相同步旋转轴系下的定子电流反馈值；

表示两相同步旋转轴系下的定子电压给定值；

i_α,β表示两相静止坐标系下的定子电流值；

i_a,b,c表示三相静止坐标系下的定子电流值；

u_α，β表示两相静止坐标系下的定子电压值；

U_dc表示逆变器直流母线电压；

如图1所示，本具体实施方式中，直轴观测器1设置了α轴电流i_α输入端口、β轴电流i_β输入端口和转子位置估计输出端口；

直轴观测器1，由于其观测器内部包含锁相环结构，因此其转子位置估计受电机参数影响较小，但是其转子位置误差的系数中含有q轴电流分量，所以其适用于永磁同步电机运行在重载情况下的转子位置估计。永磁同步电机矢量控制器输出的α轴和β轴电流分别输入至直轴观测器1，用于估计转子位置

如图1所示，本具体实施方式的交轴观测器2设置了α轴电流i_α输入端口、β轴电流i_β输入端口和转子位置估计输出端口；

交轴观测器2，在估计转子位置过程中，对电机参数以及q轴电流依赖较大，因此其适用于永磁同步电机运行在空载或轻载情况下的转子位置估计。永磁同步电机矢量控制器输出的α轴和β轴电流分别输入至交轴观测器2，用于估计转子位置

如图1所示，本具体实施方式的权重更新选择器3设置了直轴观测器1估计的转子位置输入端口、交轴观测器2估计的转子位置输入端口、两相同步旋转轴系下的定子电流反馈值i_d,q输入端口、最终转子位置估计输出端口和转子最终估计转速输出端口；

权重更新选择器3，根据输入的d轴电流和q轴电流的大小判断永磁同步电机运行在轻载还是重载条件下，并实时地调整权重系数，对直轴观测器1和交轴观测器2输入的转子估计位置进行加权处理，得到最终的转子估计位置和估计转速，用于无位置传感器控制。

优选实施方式中，具体实施方式的直轴观测器1包括一个直轴电流补偿单元1-2、第一单周期滞后单元1-1、第二单周期滞后单元1-3、第一减法器1-4、第二减法器1-5、第一乘法器1-6、第二乘法器1-8、第一加法器1-7、一个比例积分单元1-9、第一积分单元1-11、一个正弦函数计算单元1-12、一个余弦函数计算单元1-10和第一低通滤波器1-13；

当采用“d轴定子电流给定值”的矢量控制方式时，直轴电流补偿单元1-2可以省略；

永磁电机输出的α轴和β轴电流分别输入至第一单周期滞后单元1-1和第二单周期滞后单元1-3，第一单周期滞后单元1-1的输出输入至第一减法器1-4，第二单周期滞后单元1-3的输出输入至第二减法器1-5；

第一减法器1-4将α轴电流和第一单周期滞后单元1-1的输出做差，得到α轴电流微分，输入至第一乘法器1-6；

第二减法器1-5将β轴电流和第二单周期滞后单元1-3的输出做差，得到β轴电流微分，输入至第二乘法器1-8；

第一乘法器1-6将α轴电流微分与余弦函数计算单元1-10相乘，输入至第一加法器1-7；

第二乘法器1-8将β轴电流微分与正弦函数计算单元1-12相乘，输入至第一加法器1-7；

第一加法器1-7将直轴电流补偿单元1-2的输出与第一、第二乘法器1-6、1-7的输出相加，得到转子位置误差信号，并将误差信号输入至比例积分单元1-9；

比例积分单元1-9输出转子估计转速，并将该估计转速输入至第一积分单元1-11；

第一积分单元1-11的输出输入至第一低通滤波器1-13进行滤波；

所述第一低通滤波器1-13的输出即为转子估计位置并将该估计位置同时输入至正弦函数计算单元1-12和余弦函数计算单元1-10。

本具体实施方式给出了直轴观测器1的具体结构，如图2所示。该装置首先通过单周期滞后单元1-1、1-3，减法器1-4，1-5获得α轴和β轴电流微分。并通过乘法器1-6、1-7分别与余弦函数计算单元1-10和正弦函数计算单元1-12做乘积，经过加法器1-7叠加后依次输入至比例积分单元1-9、积分单元1-11和低通滤波器1-13，最终得到转子估计位置不止于此，该实施方式由于其观测器内部包含锁相环结构，因此其转子位置估计受电机参数影响较小，但是其转子位置误差的系数中含有q轴电流分量，所以其适用于永磁同步电机运行在重载情况下的转子位置估计。

优选实施方式中，具体实施方式的交轴观测器2包括一个坐标变换单元2-1、一个R/L_q计算单元2-2、第三减法器2-3、第三单周期滞后单元2-4、第二加法器2-5、一个-L_q/ψ_f计算单元2-6、第二积分单元2-7、第二低通滤波器2-8和第三低通滤波器2-9。其中R为定子电阻，L_q为定子q轴电感，ψ_f为转子永磁体磁链。

坐标变换单元2-1的输入为永磁电机输出的α轴和β轴电流以及估计的转子位置将α轴和β轴电流转换为d轴和q轴电流，并将q轴电流输出至R/L_q计算单元2-2、第三减法器2-3和第三周期滞后单元2-4；

R/L_q计算单元2-2对输入的q轴电流进行运算后，将输出输入至第二加法器2-5；

第三单周期滞后单元2-4将输入的q轴电流滞后一个周期输出至第三减法器2-3；

第三减法器2-3将输入的q轴电流与第三单周期滞后单元2-4的输出做差处理，得到q轴电流微分值，并将将所述q轴电流微分值输出至第二加法器2-5；

第二加法器2-5将R/L_q计算单元2-2的输出与q轴电流微分值做和，并将结果输出至-L_q/ψ_f计算单元2-6；

-L_q/ψ_f计算单元2-6将第二加法器2-5输出值进行运算，将结果输出至第二低通滤波器2-8和第二积分单元2-7；

第二低通滤波器2-8将-L_q/ψ_f计算单元2-6的输出进行低通滤波，得到转子估计转速

第二积分单元2-7的输出输入至第三低通滤波器2-9进行低通滤波；

第三低通滤波器2-9的输出即为转子估计位置并将该估计位置同时输入至坐标变换单元2-1。

本具体实施方式给出了交轴观测器2的具体结构，如图3所示。该装置首先通过坐标变换单元2-1，将α轴和β轴电流转换为d轴和q轴电流，然后将q轴电流经过第三单周期滞后单元2-4后与其本身做差，得到q轴电流微分，并与R/L_q计算单元2-2的输出叠加输出至-L_q/ψ_f计算单元2-6，将结果经过第二低通滤波器2-8得到电机估计转速将-L_q/ψ_f计算单元2-6输出的结果依次经过第二积分单元2-7和第三低通滤波器2-9即可以得到估计的转子位置不止于此，该实施方式结构简单，在估计转子位置过程中，对电机参数以及q轴电流依赖较大，因此其适用于永磁同步电机运行在空载或轻载情况下的转子位置估计。

优选实施方式中，具体实施方式的权重更新选择器3，如图4所示，包括一个权重更新算法单元和两个加权处理器；

权重更新算法单元根据输入的d轴电流和q轴电流的大小判断永磁同步电机运行在轻载还是重载条件下，并实时地调整权重系数w₁和w₂。如图5所示，为权重更新算法的原理示意图，从图中可以看出，当q轴电流小于设定阈值i₁时，交轴观测器2权重系数w₁为1，直轴观测器1权重系数w₂为0；同理，当q轴电流大于设定阈值i₂时，交轴观测器2权重系数w₁为0，直轴观测器1权重系数w₂为1；当q轴电流大于设定阈值i₁且小于设定阈值i₂时，交轴观测器2权重系数w₁线性减小，而直轴观测器1权重系数w₂线性增大。

第一加权处理器将交轴观测器2输出的转子估计位置进行加权处理，权重系数为w₁，第二加权处理器将直轴观测器1输出的转子估计位置进行加权处理，权重系数为w₂，并将其输出叠加，得到最终转子估计位置

本实施方式的权重更新选择器3将直轴观测器1和交轴观测器2有机结合，使两种观测器均能在其适合的工作条件下运行，提升了转子位置估计的准确性，扩大了基于无辅助信号注入的永磁同步电机无传感器控制应用领域。

为了进一步验证本发明的有益效果，下面以一种具体实施例进行说明。

本实验在永磁同步电机对拖实验平台上进行验证。两台1.0kW的永磁同步电机通过联轴器同轴联接，其中一台作为控制电机，另一台作为加载电机，所使用的永磁同步电机的主要参数为：额定功率1.0kW，转矩常数0.51N·m/Arms，额定转速3000r/min，L_d＝7.9mH，L_q＝11.7mH，微分算子P＝3，ψ_f＝0.374Wb，电机定子电阻R＝1.48Ω。

图7为采用本发明的权重观测器得到的永磁电机无辅助信号注入的无传感器控制波形，在实验中，切换区间与设置的轻载区间重合。从上至下波形依次为，负载转矩，转子估计位置和转子位置误差波形。由实验结果可以看出，在整个运行过程，估计位置与实际位置误差保持在10度以内，进一步验证了本发明方法所提出的的权重观测器的有效性。

本发明方法无需任何辅助信号的注入，可以有效的消除高频注入法所带来的噪音，权重观测器更能保证电机在任何工作条件下都能获得较为精确的转子估计位置，提高了永磁同步电机无传感器控制性能。

虽然在本说明书中参照了具体的实施方式来描述本发明，但可以容许的是，这些具体实施方式仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此，可以对示例性的实施方式进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。此外，结合单独具体实施方式所描述的特征可以使用在其他所述实施方式中。